1、分体式空调器室内单元的空气流动和热交换的研究 1分体式空调器室内单元的空气流动和热交换的研究摘要：首先介绍一个典型的三维计算流体动力学模型的剖面，并且用一个心里测试的房间来确认空调装置的工作能力，得出的结果与计算流体动力学模型的数据有0.26%的差别，然后进行了从计算流体动力学中得到的速率分布和立体粒子图像测速技术测量值的比较，从而得出结论在判断热量交换和流量特点是剖面模型是非常有用的。关键词： 分体式空调；翅片和管换热器；横流风机；立体粒子图像测速技术1.引言目前，能源利用率已经成为工程应用中最终也好的设计标准之一。政府和国际相关组织通过制定调理规程和国际标准牢固地控制着能源需求。因为日常的
2、医学产品包括一个市场和生产主要元件的能量消耗，他们的产品和商品被产品标准严格的控制着。这就意味着，生产商家要更娇注重产品设计生产过程。另外一个重要的原因是消费者要求使用更加节能的产品和设计方案更好的产品来提升生活质量。与其他日常用的产品相比，对高品质的分体式空调的要求增长速度更迅速，充足的通风量和热交换性能的好坏决定了温度上的舒适度，还需要考虑能效问题，这些都是重要的设计参数。分体式空调的室内单元和室外单元石象湖关联的。但是，因为在小范围内，保证高性能的需要，室内部分的设计要花费更大的功夫。所以分体式空调室内单元的翅片管式换热器和横流风扇的外壳设计是非常重要的。翅片管式换热器由于结果紧凑，传热
3、可靠性高而用于空调系统。许多研究者对翅片管式换热器的性能进行过改进，结果表明空气异常的换热器部分比制冷剂异常的部分更加重要，原因是前者有更大的热阻 1。一系列的实验和数字化模拟研究也说明了这一观点是正确的 2-6。在这些研究中翅片管的材料特性，翅片倾斜，管子间距和它们的不知方式，其形状和翅片的排列方向，空气侧空气和制冷剂的性能，以及空气流动条件都在研究之列。一个翅片管式换热器典型的部分使用数字化的 3D模型来研究的。气流条件和通风性能是通过做实验的方法进行研究的。 分体式空调器室内单元的空气流动和热交换的研究 2表 1 术语术语Cp 比热容(J/kg K)k 导热系数（W/m K）m 质量流量
4、(kg/s)Qs 显热(W)Tf 相变温度（K）T 温差(K) 密度(kg/m 3) 粘度(Ns/m 2)人们对分体式空调的内部系统做了大量的研究。比如用在风道中逐渐扩大规模和原型实验的方法，试图找出分体式空调的性能和断面形状的关系 7。一个最理想的家用空调翅片形状可以从他们目前最新设计的模型中得出。另一个换热器性能的实验是 Tuztas 和 Egrica 在风道中完成的，使用与之前类似的技术得到了一个不同几何尺寸换热器的实验数值的数据库 8。Taler 研究中用到了一种用于得出传热系数的数字化模型，用于研究不同型号的带有延伸表面的翅片管换热器的液体面和气体面 9。发展成熟的数学分析模型比用于
5、判断新型翅片管换热器，空调系统和制冷装置的特性。Borrajo-Palaez 用的是三维模拟的方法来完成换热器两侧的换热性能1。Xie 模拟翅片管换热器空气侧换热时，分别使用了多排较小直径管子和少量较大直径管子来获得热交换性能和空气流动性能的相互关系 11。图 1 空调器室内单元装配图分体式空调器室内单元的空气流动和热交换的研究 6就提高分体式空调的性能来说，翅片管式换热器和横流风机都是重要的因素。河流风机在空调中应用广泛，并且它们的外壳影响到空气的流动，从而会影响到热交换器的换热性能。研究者们往往把目光放在横流风机形成的复杂的空气运动场上，而且大部分的实验和数字化的研究已经能够判定气流特性和
6、简化了的河流风机系统12-16。Dang 和 Bushnell 研究表明，不同于几何尺寸、外壳、横流风机的方向，更重要的是风扇的位置和由风机循环转动引起的古怪漩涡的量级大小 17。实验研究和数字化模拟气流区域包括叶轮在内的形状和古怪强力的漩涡是由 Toffolo 提出的 19。Cabi 和 Klemrn 在研究中提出用实验和数字化的方法研究横流风机内的空气流和我想的空气动力学，他们的研究结果表明，技术流体动力学是完成设计目标的有用工具 20。现在有以下研究是做出分体式空调室内单元的整个装配模型。Shih 提出运用二维几何数字化模拟常用分体式空调室内单元的横流风机。同时计算流体动力学也是一个可以
7、成功模拟复杂几何运动的方法 21。根据相同的原理，模拟结果使得横流风机得以发展。Xue 在研究中提出一个与上述实验类似的数字化模拟分体式空调室内单元的横流风机用于制冷剂工况的模拟。用来判断其内部流动的特性 22。通过对比实验结果得出两种气相（干空气和湿空气）会影响到横流风机的性能的研究结果。Moukalled 创建了 3D 数字化模型来预测屋顶上的空调器内部气流的速度、温度、湿度的分布。虽然通过综合地模拟热交换器和风扇，增加了栅格的规格和计算成本，但是可以使研究人员得出一个可靠的模型和更精确的结果，他们预测了设计条件下设备的显热和潜热的制冷能力。和在上文中提到的相同，计算空气流体动力学在表示和
8、理解复杂的流体特性是十分成功的。分体式空调室内单元部分已经被作为一个单独的部分模拟出来了，但是，最近的研究表明及时是整个系统也可以用大量的的计算机技术进行数字化建模。装置的 3D 模型是判断空气侧气流和热交换的基础，除了小而典型的部分， （比如数字化模拟翅片管）所以，在这项研究中，为了模拟分体式空调室内单元引入了一个典型的剖面模型，分析热传递和流体流动是为了得出相关的温度和速度分布。另外，数字化手段的作用是通过比较热交换能力的实验和 SPIV 分析装置剖面数据得到结果，以达到检测的目的。2.数字化研究分体式空调器室内单元的空气流动和热交换的研究 6常用分体式空调室内单元的内部结构由四部分组成：
9、横流风机、后壁、旋涡壁和翅片管式换热器。热交换器的几何数据和横流风机及其腔体是影响空调性能的参数，更多的热量交换和更少的压力降低是翅片管式换热器更好的设计方案，然而，提供足够流速的同时再出口处更小的压力波动是横流风机的一个主要目标。这些参数是定义分体式空调室内单元性能标准的有效数值，这些参数对分体式空调室内单元的影响也是这次研究的对象之一。通过假定换热器是多孔介质的方法可以进行二维建模分体式空调室内单元的内部流体流动。这个假设有一个优势就是在有限体积格栅中减少了节点的个数，然而值得注意的是热交换器压力值降低的特性。Shih 在研究中提出用计算流体动力学的方法实习对翅片管式换热器中压力降低特性的
10、分析来解决上述问题，但是，因为分体式空调内部翅片管式换热器具有复杂的几何特性，所以这一方法并不适用于所有的模型。另外，装置内部的几何结构和横流风机的流动特性会对流体通过翅片管式换热器不同界面是产生强烈的影响，然而，这些数据在翅片管式换热器的外部进行试验是不能得到的。此外多孔介质的假设对于确定装置的热交换特性是不够的，因为热交换只在热交换器内部发生，却没有对翅片管式换热器翅片间空隙进行建模，数字化建模中没有考虑到翅片间流体流动的变化。所以，均匀的多孔介质的假设并不适合于研究流体流动的局部热量交换。几乎没有哪一项研究对传热建模是在分体式空调室内单元内部进行的，但是却有很多三维数字化研究是对翅片管式
11、换热器单独建模的。并且计算流体动力学对于检查空气一侧热交换和流体特性是非常有用的一个工具，所以三维计算流体动力学的方法适合用于解决分体式空调室内单元流体流动和热交换的问题研究。整个来自于生产者的模型都是为了简化，而且在一些地方做了修改，比如在一般工况下建立的翅片管式换热器的三维模型，以剖面模型为代表，装配好的分体式空调的重复截面是固定的值。这个几何尺寸下，排水管，滤尘器和装置的外壳以及小的装配零件都没有建模，其目的就是简化。这一预测的根据是这些要素微不足道的影响，其基础是有一个好的网套，然而作为对横流风机性能影响最大的后壁和旋涡壁并没有做出任何的变化。把分体式空调室内机的模型放入一个半圆形的区
12、域，它代表的是装置外部的空气。虽然把外部空气引入模型内部会增加系统节点的数量，但是入口和出口对于流体的影响可以把真实环境更好地表现出来，外部受影响的空气的直径是风机直径的分体式空调器室内单元的空气流动和热交换的研究 620 倍，翅片的厚度决定了 3D 模型的厚度。模型包括六个几何尺寸：2 个半值厚度铝翅片，翅片间的空气，这部分内部的空气，横流风机叶轮间的空气（模型中旋转的部分） ，风机内部的空气，装置内部的空气。空调器数字化模拟的两个重要步骤就是生产适合的数字化网格，网格有很多种形式和尺寸，如棱柱形和受挤压的四面体可以用于模型中。不同挤压层的数值和表面元件的数据对研究结果的影响也是应该考虑的问
13、题。在翅片管式换热器的翅片之间距离翅片更近的及压差厚度更小，而且是从翅片到空气中递增的。为了更为精确判定流体流动和热量交换，在风机叶轮出口和入口特别是翅片周围空气环绕的部件要选择尺寸更小的。详细的数字化网格中包括 2482876 个棱柱体元件和 1614599 个节点。为了减小求解过程的计算负荷，只把翅片作为固体来建模，原因是它对于传热性能有很重要的影响。至于其他的固体区域，比如部件的外壳和风机的叶轮在建模的时候都与绝热墙在一起，并假设它们对传热的影响不大，虽然它们对流体流动条件的影响是很大的。边界条件是根据检测室数据 TS EN14511：2007 和 ISO 515124标准，这也是用来确
14、定分体式空调器工作能力的主要工业标准。这个分析是为了做出冷却条件标准。给出了进口和出口的边界条件的数值模型，外部温度是 300K，相对压力是 0Pa。适当的分界面模型如流体和固体区域之间或者转动的和静止的部件之间都在项目中详细列出来了。假设正面的两侧是对称的并且风机部分被定义成驱动横流风机中流体运动的转动机构。为了模拟激流的流体，使用了 k- 标准模型，使用它的原因是它包括的范围广。这个模型中一般目标的计算流体动力学代码都已经实现了，并且它还被认为是业界的标准模型。它之稳定的，数字化上是健全的，并且有设定好的预测能力。分体式空调器室内单元的空气流动和热交换的研究 6图 2 SAC 室内单元三维
15、数字化模型 （a）三维模型的区域（b）环境空气和重要的风机部件图 3 数字化模型网格细节（a）数据网格（b）SAC 室内单元网格细节（c）通过挤压层厚度（d）风机叶轮周围详细网格视图分体式空调器室内单元的空气流动和热交换的研究 空气的热物性，比如密度（r） ，热容（Cp） ，质量流量（m）和导热系数（k）这些参数都在气化温度 290K 的条件下给出。从蒸发器管道出来的 R22 制冷剂的冷却效果适用于翅片和 280K 恒定温度下的空气侧管道表面。对三维稳定状态的反复分析一直持续到剩下的达到 104 并且域内的不平衡值降到低于 0.0001%。表 2 空气的热物性Tf(K) (kg/m 3) Cp
16、(J/kg k) m(Ns/m2) k(W/m k)290 1.208 1006.8 1.796X10-5 0.02553.结果和讨论3.1 空气流量数字化模拟的结果可以观测到边界条件和横流风机速度（1200rpm） ，这一速度值可以在标准 TS EN 14511：2007 和 ISO 5151 中查出。流体条件是以流线的形式给出的，给出压力分布，速度矢量图以及温度分布是为了模拟传热特性。在图 4 中给出了整个模型的流线和装置内部的详细流体流动方式。空气通过吸入格栅进入装置内部，并在图中标记 A 和 B 的部分发生再循环，由于靠近入口，所以这一过程发生在前侧和后侧。流体流动通过换热器的翅片时被
17、变直，然后空气进入横流风机的翼型格栅。另外一个再循环的区域在图 4 中用 C 标出，这一再循环很大程度上依靠的是后壁的形状和位置以及位于后壁上部分的舌状物。另外，C 区域的旁边，有一个用 D 来表示的漩涡，这是由后壁和舌状物再次驱动的。通过叶轮的里面，流体直接向后并且受到后壁和古怪漩涡的挤压，这一点在图 4 中用 E 来表示。漩涡 D 和 E 是横流风机流体的特性，虽然根据后壁的特性来说漩涡 D 可能是不存在的。因为低压力的区域已经在图 5 中用 E 表示出来了，所以这个古怪的漩涡是横流风机流体的主要源头，它提供了逆流而上的空气其功能像是一个塞子挡住了顺流而下倒流的空气。古怪漩涡的形状和位置很
18、大程度上取决于旋涡壁的几何参数。另外一个漩涡位于旋涡壁的下部，人们认为它是旋涡壁周围压力波动的结果。分体式空调器室内单元的空气流动和热交换的研究 9图 4 流线和 SAC 室内单元重要的流体结构一项关于装置外部流体的研究在图 4 中表示出来了，它显示了空气从外部的上层移动到被吸入的孔洞，然而在装置的出口处，有喷射的流体出现，其出现的位置是被限定的空气流流出和周围的空气进行混合。喷射的流体是由巨大的速度差造成的，这个速度差产生在被限定的空气和装置周围的空气之间，它的特点是持续增长的下层空气形成的断层。图 5 压力等值线分体式空调器室内单元的空气流动和热交换的研究 11空调器空气吸入口和排出口的空
19、间中流体的特点在图 6 和 7 中用速度矢量来表示。这些速度矢量分布显示是比流线更加详细的方法，而且它们对于理解局部的流体对于温度分布的影响。通过管道表面流体被分开，在管道后方会形成漩涡并且在空调器的拐角和舌状物的部分形成回流，这些在图中分别表示为 A，B 和 C。空气流直接通过换热器翅片会影响到翅片管式换热器对流换热的性能。所以，对于更深入的研究，矢量区域信息是有用的，比如是换热器表面区域换热效率更高，而且可以重新设计装置的几何尺寸和横流风机的位置。图 6 空调机组流体流入口矢量区域和重要的流体结构图 7 空调机组流体流出口矢量区域和重要的流体结构3.2 温度分布热量交换的结果已在图 8 中
20、表示出，等温线在数字化模型的中平面中表示出来，它仅仅包含了空气的温度分布。在 27时，周围空气流的温度直到通过换热器的翅片和管道才会发生变化。翅片管式换热器在不同区域出口处温差大小可以达到 10，分体式空调器室内单元的空气流动和热交换的研究 9虽然横流风机混合的是来自于翅片管式换热器的空气，而且，温度分布也在趋于均匀，但是装置的出口区域混合时温差仍然达到 4。在速度分布图上，可以清楚地看到激流射出来，在核心的区域温度是很低的。随着受限制的空气和周围空气进行混合，温度开始升高，等温线的幅度持续增大直到核心区域消失于下层流体。图 8 空气侧温度分布图 9 FTHE 不同区域的温度分布（a）中平面上翅片间的空气（b）铝翅片（c）FTHE 的可视化温度分布
